Circuito integrado de señal mixta

Circuito integrado de señal mixta: áreas metálicas en el lado derecho son condensadores, encima de los cuales grandes transistores de salida y el lado izquierdo están ocupados por la lógica digital

Un circuito de señal mixta integrada es cualquier circuito integrado que tiene ambos circuitos analógicos y circuitos digitales en un solo dado semiconductor. ^{[1] [2] [3] [4]}

En aplicaciones de la vida real, los diseños de señal mixta están en todas partes, por ejemplo, en teléfonos móviles inteligentes , sistemas de sensores con interfaces digitales estandarizadas en chip (como I2C , UART , SPI, CAN, etc.), procesamiento de señales relacionadas con la voz, aeroespacial y espacial. electrónica, IoT , vehículos aéreos no tripulados (UAV), automóviles y otros vehículos eléctricos. Los circuitos integrados de señal mixta también procesan señales analógicas y digitales juntas. Por ejemplo, un convertidor de analógico a digital (ADC) es un circuito típico de señal mixta. Los circuitos o sistemas de señales mixtas suelen ser soluciones rentables para construir cualquier electrónica de consumo moderna., aplicaciones industriales, médicas, de medición, espaciales, etc. Un circuito integrado de señal mixta también puede contener bloques de memoria en chip como OTP , lo que complica la fabricación en comparación con los circuitos integrados analógicos. Un circuito integrado de señal mixta minimiza las interconexiones fuera del chip entre la funcionalidad digital y analógica en el sistema, por lo general el tamaño y el peso de la realización debido al empaquetado minimizado y el tamaño reducido de la placa del sistema ( PWB / PCB , sustrato del módulo, etc.) y, por lo tanto, aumentan la confiabilidad. del sistema.

Los dispositivos de señal mixta están disponibles como piezas estándar, pero los circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC) diseñados a medida están diseñados para nuevas aplicaciones o si están surgiendo nuevos estándares o se implementan nuevas fuentes de energía en el sistema y los volúmenes de producción se estiman en ser alto. La disponibilidad de bloques IP de señal mixta y analógica listos y probados de fundiciones o casas de diseño dedicadas ha reducido la brecha para realizar ASIC de señal mixta. También existen pocos FPGA y microcontroladores de señal mixta , que normalmente pueden incluir convertidores de analógico a digital y de digital a analógico, amplificadores operacionales, incluso bloques de conectividad inalámbrica, etc. en el mismo chip con lógica digital. ^[5]Los FPGA de señal mixta son una extensión de los arreglos analógicos programables en campo. Estos FPGA y microcontroladores de señal mixta están cerrando la brecha entre los dispositivos de señal mixta estándar, los ASIC personalizados completos y el mundo del software posiblemente integrado, cuando los productos están en desarrollo o los volúmenes son demasiado bajos para una realización ASIC personalizada completa y efectiva. Sin embargo, puede haber pocas limitaciones de rendimiento típicamente con este tipo de FPGA y microcontroladores, como la resolución de los ADC, la velocidad de conversión de digital a analógico (DAC) y un número limitado de entradas y salidas, etc. A pesar de estas posibles limitaciones, los FPGA de señal mixta y los microcontroladores pueden acelerar hasta el diseño de la arquitectura del sistema, la creación de prototipos e incluso la producción a pequeña y mediana escala. También se pueden respaldar con placas de desarrollo, comunidad de desarrollo y posiblemente también soporte de software.

Introducción

Un sistema en chip analógico de señal mixta (AMS-SoC) puede ser una combinación de circuitos analógicos, circuitos digitales, circuitos intrínsecos de señal mixta (como ADC) y, en algunos casos, posiblemente también software integrado .

Los circuitos integrados (CI) se clasifican generalmente como digitales (por ejemplo, un microprocesador) o analógicos (por ejemplo, un amplificador operacional). Los circuitos integrados de señal mixta son chips que contienen circuitos digitales y analógicos en el mismo chip. Esta categoría de chip ha crecido en volúmenes de manera espectacular, específicamente con el aumento del uso de teléfonos móviles 3G , 4G , 5G , etc. y otras tecnologías portátiles, así como el aumento de sensores y electrónica en la automoción.

Los circuitos integrados de señal mixta se utilizan a menudo para convertir señales analógicas en señales digitales para que los dispositivos digitales puedan procesarlas. Por ejemplo, los circuitos integrados de señal mixta son componentes esenciales para los sintonizadores de FM en productos digitales como reproductores multimedia, que tienen amplificadores digitales. Cualquier señal analógica (como una transmisión de radio FM, una onda de luz o un sonido) se puede digitalizar utilizando un convertidor analógico a digital muy básico, y la más pequeña y de mayor eficiencia energética de estas sería en forma de señal mixta. CI.

Los circuitos integrados de señal mixta son más difíciles de diseñar y fabricar que los circuitos integrados solo analógicos o solo digitales. Por ejemplo, un circuito integrado de señal mixta eficiente tendría sus componentes digitales y analógicos compartiendo una fuente de alimentación común. Sin embargo, los componentes analógicos y digitales tienen necesidades de energía y características de consumo muy diferentes que hacen que este sea un objetivo no trivial en el diseño de chips.

La realización de la funcionalidad de señal mixta requiere desde tecnologías de fabricación además de activos tradicionales (varios transistores) también opciones y comprensión de modelado para realizar elementos pasivos de buen rendimiento como bobinas, condensadores y resistencias en el mismo chip con funcionalidad digital. Es posible que se necesiten transistores de alto voltaje en las funciones de administración de energía en el mismo chip con funcionalidad digital, posiblemente con un sistema de procesador CMOS de baja potencia. Algunas tecnologías avanzadas de señales mixtas pueden habilitar incluso elementos de sensores analógicos como sensores de presión o diodos de imagen en el mismo chip con un convertidor digital analógico.Por lo general, los circuitos integrados de señal mixta no necesitan necesariamente un rendimiento digital más rápido, pero necesitan modelos más maduros de elementos activos y pasivos para simulaciones y verificaciones más precisas, como para la planificación de la capacidad de prueba y las estimaciones de confiabilidad. Por lo tanto, los circuitos de señal mixta generalmente se realizan con anchos de línea más grandes que la velocidad más alta y la lógica digital más densa, y las tecnologías de implementación pueden ser 2-4nodos detrás de las últimas tecnologías de implementación digital. Además, el procesamiento de señales mixtas puede necesitar elementos pasivos como resistencias, condensadores y bobinas, que pueden requerir capas de metal o dieléctricas específicas o similares. Debido a estos requisitos específicos, los fabricantes de fundiciones de dispositivos de señal mixta pueden ser diferentes de los fabricantes o fundiciones de circuitos integrados digitales.

Ejemplos

Por lo general, los chips de señal mixta realizan alguna función o subfunción completa en un conjunto más grande, como el subsistema de radio de un teléfono celular , o la ruta de datos de lectura y la lógica de control del trineo láser de un reproductor de DVD . A menudo contienen un sistema completo en un chip .

Ejemplos de circuitos integrados de señal mixta incluyen convertidores de datos que usan modulación delta-sigma , convertidor analógico a digital / convertidor digital a analógico que usa detección y corrección de errores y chips de radio digitales . Los chips de sonido controlados digitalmente también son circuitos de señales mixtas. Con el advenimiento de la tecnología celular y la tecnología de redes, esta categoría ahora incluye circuitos integrados de enrutadores de teléfonos celulares , radio de software , LAN y WAN .

Debido al uso de circuitos analógicos y de procesamiento de señales digitales, los circuitos integrados de señales mixtas generalmente están diseñados para un propósito muy específico y su diseño requiere un alto nivel de experiencia y un uso cuidadoso de herramientas de diseño asistido por computadora (CAD). También existen herramientas de diseño específicas como simuladores de señales mixtas o lenguajes de descripción como VHDL-AMS . La prueba automatizada de los chips terminados también puede ser un desafío. Teradyne , Keysight , ^[6] y Advantest son los principales proveedores de equipos de prueba para chips de señal mixta.

Los desafíos particulares de la señal mixta incluyen:

• La tecnología CMOS suele ser óptima para el rendimiento digital y el escalado, mientras que los transistores bipolares suelen ser óptimos para el rendimiento analógico, sin embargo, hasta la última década ha sido difícil combinarlos de forma rentable o diseñar tanto analógico como digital en una sola tecnología sin un rendimiento serio. compromisos. El advenimiento de tecnologías como CMOS de alto rendimiento , BiCMOS , CMOS SOI y SiGe han eliminado muchos de los compromisos que antes tenían que hacerse.
• Probar el funcionamiento funcional de los circuitos integrados de señal mixta sigue siendo complejo, costoso y, a menudo, una tarea de implementación "única".
• Las metodologías de diseño sistemático comparables a los métodos de diseño digital son mucho más primitivas en el ámbito de las señales analógicas y mixtas. El diseño de circuitos analógicos generalmente no se puede automatizar en la medida en que lo hace el diseño de circuitos digitales. La combinación de las dos tecnologías multiplica esta complicación.
• Las señales digitales que cambian rápidamente envían ruido a entradas analógicas sensibles. Un camino para este ruido es el acoplamiento de sustrato . Se utilizan diversas técnicas para intentar bloquear o cancelar este acoplamiento de ruido, como amplificadores totalmente diferenciales , ^[7] anillos de protección P +, ^[8] topología diferencial, desacoplamiento en chip y aislamiento de triple pocillo. ^[9]

La mayoría de las radiocomunicaciones y las telecomunicaciones modernas utilizan circuitos de señales mixtas.

Ejemplos comerciales

• Pocos ejemplos de casas / recursos de diseño de señales mixtas (hay varias fuentes):
  • AnSem
  • CoreHW
  • EnSilica
  • ICsense
  • Presto Ingeniería
  • Sistema a ASIC
  • Semiconductor de la tríada
• Ejemplos de microcontroladores y FPGA de señal mixta:
  • Procesadores de control de señal mixta CM4xx de Analog Devices
  • Fusion FPGA (de Microsemi ahora parte de Microchip Technology)
  • PSoC PSoC Programmable System on Chip, producto de Infineon Technologies (antes Cypress Semiconductor)
  • Texas Instruments ' MSP430
  • FPGA de señal mixta Xilinx
• Ejemplos de fundiciones de señal mixta. Algunas fundiciones también pueden tener un servicio de diseño o una lista de socios capaces de brindar servicios de diseño de señales mixtas para sus tecnologías:
  • Globalfoundries
  • Nueva radio de Japón
  • Tower Semiconductor Ltd
  • X-Fab
• Lista de chips de sonido
  • Chip de sonido de síntesis FM de Yamaha
  • Atari POKEY
  • Tecnología MOS SID

Historia

Circuitos de condensadores conmutados MOS

Más información: Condensador conmutado y telefonía digital

El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET, o transistor MOS) fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Telephone Laboratories en 1959, y el chip de circuito integrado MOS (MOS IC) se propuso poco después, pero Bell inicialmente pasó por alto la tecnología MOS porque no la encontraron práctica para aplicaciones telefónicas analógicas , antes de que Fairchild y RCA la comercializaran para productos electrónicos digitales como computadoras . ^{[10] [11] La} tecnología MOS finalmente se volvió práctica para la telefonía.aplicaciones con el circuito integrado de señal mixta MOS , que combina el procesamiento de señales analógicas y digitales en un solo chip, desarrollado por el ex ingeniero de Bell David A. Hodges con Paul R. Gray en UC Berkeley a principios de la década de 1970. ^[11] En 1974, Hodges y Gray trabajaron con RE Suarez para desarrollar la tecnología de circuito de condensadores conmutados (SC) MOS , que utilizaron para desarrollar un chip convertidor de digital a analógico (DAC), utilizando condensadores MOS e interruptores MOSFET para la conversión de datos. . ^{[11] El} convertidor analógico-digital (ADC) MOS y los chips DAC se comercializaron en 1974. ^[12]

Los circuitos MOS SC llevaron al desarrollo de chips de filtro de códec de modulación de código de pulso (PCM) a fines de la década de 1970. ^{[11] [13]} El chip de filtro de códec PCM CMOS (MOS complementario) de puerta de silicio , desarrollado por Hodges y WC Black en 1980, ^[11] ha sido desde entonces el estándar de la industria para la telefonía digital . ^{[11] [13]} En la década de 1990, las redes de telecomunicaciones como la red telefónica pública conmutada (PSTN) se habían digitalizado en gran medida con filtros de códec CMOS PCM de integración a muy gran escala (VLSI), ampliamente utilizados en sistemas de conmutación electrónica paracentrales telefónicas , centrales de sucursales privadas (PBX) y sistemas telefónicos clave (KTS); módems de usuario ; aplicaciones de transmisión de datos tales como portadoras de bucle digital , multiplexores de ganancia de par , extensores de bucle telefónico , terminales de red digital de servicios integrados (ISDN), teléfonos inalámbricos digitales y teléfonos móviles digitales ; y aplicaciones tales como equipos de reconocimiento de voz , almacenamiento de datos de voz , correo de voz y contestadores automáticos digitales sin cinta .^[13] El ancho de banda de las redes de telecomunicaciones digitales ha aumentado rápidamente a un ritmo exponencial, como lo observa la ley de Edholm , ^[14] impulsado en gran medida por la rápida escala y miniaturización de la tecnología MOS. ^{[15] [11]}

Circuitos RF CMOS

Artículo principal: RF CMOS

Mientras trabajaba en Bell Labs a principios de la década de 1980, el ingeniero paquistaní Asad Abidi trabajó en el desarrollo de la tecnología submicrónica MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) VLSI ( integración a muy gran escala ) en el Laboratorio de desarrollo de LSI avanzado, junto con Marty Lepselter, George E. Smith y Harry Bol. Como uno de los pocos diseñadores de circuitos en el laboratorio, Abidi demostró el potencial de la tecnología de circuitos integrados NMOS submicrónicos en circuitos de comunicación de alta velocidad y desarrolló los primeros amplificadores MOS para Gb / s. velocidades de datos en receptores de fibra óptica . El trabajo de Abidi fue recibido inicialmente con escepticismo por parte de los defensores de los transistores de unión bipolar y GaAs , las tecnologías dominantes para los circuitos de alta velocidad en ese momento. En 1985 se unió a UCLA , donde fue pionero en la tecnología RF CMOS a fines de la década de 1980. Su trabajo cambió la forma en que se diseñarían los circuitos de RF , alejándose de los transistores bipolares discretos y hacia los circuitos integrados CMOS . ^[dieciséis]

Abidi estaba investigando circuitos CMOS analógicos para el procesamiento de señales y comunicaciones desde finales de la década de 1980 hasta principios de la de 1990. A mediados de la década de 1990, la tecnología RF CMOS en la que fue pionero fue ampliamente adoptada en las redes inalámbricas , ya que los teléfonos móviles comenzaron a tener un uso generalizado. A partir de 2008, los transceptores de radio en todos los dispositivos de red inalámbrica y los teléfonos móviles modernos se producen en masa como dispositivos RF CMOS. ^[dieciséis]

Los procesadores de banda base ^{[17] [18]} y los transceptores de radio en todos los dispositivos de red inalámbricos modernos y teléfonos móviles se producen en masa utilizando dispositivos RF CMOS. ^[16] Los circuitos RF CMOS se utilizan ampliamente para transmitir y recibir señales inalámbricas, en una variedad de aplicaciones, como tecnología satelital (como GPS ), bluetooth , Wi-Fi , comunicación de campo cercano (NFC), redes móviles (como como 3G , 4G y 5G ), transmisión terrestre yaplicaciones de radar automotriz , entre otros usos. ^{[19] La} tecnología RF CMOS es fundamental para las comunicaciones inalámbricas modernas, incluidas las redes inalámbricas y los dispositivos de comunicación móviles. ^[20]

Ver también

• Interfaz analógica
• RFIC
• RF CMOS (utilizado para circuitos RF en comunicaciones inalámbricas )

Referencias

1. Saraju Mohanty , diseño de sistema de señal mixta nanoelectrónica, McGraw-Hill, 2015, ISBN 978-0071825719 y 0071825711. 
2. "Diseño de IC de señal mixta" . cita: "señal mixta (circuitos integrados con circuitos mixtos analógicos y digitales en un solo chip)"
3. Mark Burns y Gordon W. Roberts, "Introducción a la prueba y medición de IC de señal mixta", 2001.
4. "Circuitos de señales mixtas ESS" Archivado el 11 de octubre de 2010 en la Wayback Machine.
5. "FPGA de señal mixta Microsemi Fusion"
6. "Diseño electrónico, equipos de medición y automatización de pruebas" . Tecnologías Keysight .
7. "Extremo frontal del amplificador CMOS de entrada de corriente totalmente diferencial que suprime el ruido del sustrato de señal mixta para aplicaciones optoelectrónicas" por Chang, JJ; Myunghee Lee; Sungyong Jung; Brooke, MA; Jokerst, Nuevo México; Testamentos, DS 1999
8. "Problemas de ruido del sustrato en diseños de chips de señal mixta usando Spice" por Singh, R .; Sali, S. 1997
9. "IC de señal mixta fusiona ADC de 14 bits con DSP en CMOS de 0,18 μm"
10. Maloberti, Franco; Davies, Anthony C. (2016). "Historia de los dispositivos electrónicos" (PDF) . Una breve historia de circuitos y sistemas: desde redes ecológicas, móviles y omnipresentes hasta Big Data Computing . Sociedad de Sistemas y Circuitos IEEE . págs. 59-70 (65-7). ISBN  9788793609860.
11. Allstot, David J. (2016). "Filtros de condensadores conmutados" (PDF) . En Maloberti, Franco; Davies, Anthony C. (eds.). Una breve historia de circuitos y sistemas: desde redes ecológicas, móviles y omnipresentes hasta Big Data Computing . Sociedad de Sistemas y Circuitos IEEE . págs. 105-110. ISBN  9788793609860.
12. Componentes electrónicos . Oficina de Imprenta del Gobierno de EE . UU . 1974. p. 46.
13. Floyd, Michael D .; Hillman, Garth D. (8 de octubre de 2018) [1st pub. 2000]. "Filtros de códec de modulación de código de pulso" . The Communications Handbook (2ª ed.). Prensa CRC . págs. 26–1, 26–2, 26–3.
14. Cereza, Steven (2004). "Ley de ancho de banda de Edholm". Espectro IEEE . 41 (7): 58–60. doi : 10.1109 / MSPEC.2004.1309810 .
15. Jindal, Renuka P. (2009). "De milibits a terabits por segundo y más. Más de 60 años de innovación" . 2009 2º Taller internacional sobre dispositivos electrónicos y tecnología de semiconductores : 1–6. doi : 10.1109 / EDST.2009.5166093 . ISBN 978-1-4244-3831-0.
16. O'Neill, A. (2008). "Asad Abidi reconocido por su trabajo en RF-CMOS". Boletín de la sociedad de circuitos de estado sólido IEEE . 13 (1): 57–58. doi : 10.1109 / N-SSC.2008.4785694 . ISSN 1098-4232 . 
17. Chen, Wai-Kai (2018). El manual de VLSI . Prensa CRC . págs. 60–2. ISBN 9781420005967.
18. Morgado, Alonso; Río, Rocío del; Rosa, José M. de la (2011). Moduladores nanométricos CMOS Sigma-Delta para radio definida por software . Springer Science & Business Media . pag. 1. ISBN 9781461400370.
19. Veendrick, Harry JM (2017). Circuitos integrados de nanómetros CMOS: de los conceptos básicos a los ASIC . Saltador. pag. 243. ISBN 9783319475974.
20. "Infineon Hits Bulk-CMOS RF Switch Milestone" . EE Times . 20 de noviembre de 2018 . Consultado el 26 de octubre de 2019 .

Lectura adicional

• Saraju Mohanty (2015). Diseño de sistema nanoelectrónico de señal mixta . McGraw-Hill. ISBN 978-0071825719.
• R. Jacob Baker (2009). Diseño de circuitos de señal mixta CMOS, segunda edición . http://CMOSedu.com/